3.3. Гироскопический датчик

Информатика, 5 класс. Учебник: Кадыркулов Р. А., Нурмуханбетова Г. К. (Алматыкітап баспасы, 2023). Раздел 3: Робототехника. Страницы 70–74.

Чему научишься

• Объяснять, что такое гироскоп и что измеряет гироскопический датчик EV3.
• Понимать, когда показания датчика положительные, а когда отрицательные.
• Разбираться в режимах блока датчика: Измерение, Сравнение, Сброс.
• Составлять программу поворота робота на 90° и менять её под другой угол.

Разминка

• Почему экран телефона сам переворачивается, когда кладёшь его боком? Внутри есть датчики, которые чувствуют поворот и наклон.
• Сколько градусов в прямом угле? 90°. В полном обороте — 360°.
• Как раньше можно было повернуть робота? Включить моторы на нужное время или на нужное число оборотов колеса и подобрать значение «на глаз».
• Почему такой способ неточный? На гладком полу колёса проскальзывают, а батарейки садятся — и робот поворачивает то больше, то меньше.

Разбираемся

Датчики набора EV3

В наборе Lego Mindstorms EV3 несколько датчиков. На рисунке 1 в учебнике их пять:

Что такое гироскоп

Слово гироскоп пришло из греческого: gyros — круг, skopein — смотреть. Получается «смотрящий за вращением». Это устройство чувствует, как меняется угол наклона или поворота тела, в которое оно встроено.

Гироскопический датчик EV3 измеряет:

• угол поворота робота — в градусах (°);
• скорость вращения — в градусах в секунду (°/с). Максимум, который он замечает, — 440° в секунду.

Как поставить датчик

Сверху на корпусе датчика две стрелки-направляющие. Они показывают, в какой плоскости датчик измеряет поворот. Поэтому:

1. Ставь датчик так, чтобы стрелки лежали в той плоскости, где робот будет поворачивать.
2. Крепи его надёжно: если датчик болтается, показания будут скакать.
3. Перед измерением показания нужно обнулить — сделать 0, пока робот стоит ровно.

Плюс или минус?

• Поворот по часовой стрелке — значения положительные: 30, 90, 180.
• Поворот против часовой стрелки — значения отрицательные: −30, −90.

⚠️ Частая ошибка. Ждать, что угол станет «больше 90», когда робот поворачивает против часовой стрелки. Угол будет уменьшаться: −10, −50, −90… «Больше 90» не наступит никогда, и робот закрутится без остановки. Для такого поворота сравнивай «меньше −90».

Блок гироскопического датчика

На блоке датчика в программе EV3 есть четыре части (рис. 3):

1. Порт — номер гнезда на блоке EV3, куда воткнут датчик (на рисунке — порт 2).
2. Режим работы — что датчик делает.
3. Входные данные — числа, которые ты задаёшь.
4. Вывод — результат, который блок отдаёт дальше.

Режимы:

• Измерение — Угол: показывает, на сколько градусов робот повернул с момента обнуления.
• Измерение — Скорость: показывает, как быстро робот вращается, в °/с.
• Сравнение — Угол и Сравнение — Скорость: сравнивают значение с заданным порогом и отвечают «Истина» или «Ложь».
• Сброс: делает текущий угол равным 0.

Числа в режиме «Сравнение»

Тип сравнения задают числом:

Ещё один вход — предельное значение (порог). Запись «2, 90» читается так: «угол больше 90?». Ответ блока — логическое значение: Истина или Ложь.

Где ещё живут гироскопы

Гироскопы помогают держать курс самолётам, вертолётам и радиоуправляемым моделям. Они работают в навигации, в автомобилях (помогают системе безопасности понять, что случилась авария, и раскрыть подушки), в военных роботах и подводных лодках. И, конечно, в твоём телефоне и игровых контроллерах.

💡 Если дома нет робота EV3, похожую программу можно собрать в бесплатной онлайн-среде Open Roberta Lab: там есть виртуальный робот.

Проверь, как понял

Проверь себя

• Что значит слово «гироскоп»? «Круг» + «смотреть»: устройство, которое следит за поворотом.
• В каких единицах датчик измеряет угол и скорость? Угол — в градусах, скорость — в градусах в секунду.
• Какую самую большую скорость вращения замечает датчик EV3? 440° в секунду.
• Зачем обнулять датчик? Чтобы угол считался от нужного положения, а не от того, что было раньше.
• Что выдаёт блок в режиме Сравнение? Логическое значение: Истина или Ложь.

Решаем упражнения

№ 1

(задание без номера в учебнике: «Подумай», вопрос 1) С работой каких датчиков набора Lego Mindstorms EV3 ты знаком (рис. 1)?

Как думать. Вспомни, какие датчики ты уже подключал к роботу и для чего.

Ответ: на рисунке: 1 — ультразвуковой, 2 — датчик цвета, 3 — гироскопический, 4 — датчик касания, 5 — инфракрасный. Назови те, с которыми работал сам.

№ 2

(задание без номера в учебнике: «Подумай», вопрос 2) Какие методы ты использовал раньше для поворота робота на определённый угол?

Как думать. Без гироскопа робот не «знает» свой угол. Значит, поворот задавали чем-то другим.

Пример ответа.

1. По времени: включить моторы в разные стороны на 1 секунду и подобрать время пробами.
2. По оборотам или градусам колеса: повернуть колесо на нужное число градусов. Его подбирают опытом или считают по размерам робота.

Оба способа неточные: на скользком полу колёса проскальзывают, при слабой батарее моторы крутятся медленнее. Гироскоп меряет поворот самого робота, поэтому он точнее.

Ответ: раньше поворачивали по времени или по оборотам колеса; гироскоп даёт более точный поворот.

№ 3

«Примени на практике». Создай программу, по которой робот поворачивается на 90° от исходного положения.

Как думать. Робот должен: начать крутиться → ждать, пока угол станет больше 90° → остановиться.

💡 Перед поворотом полезно поставить блок гироскопа в режиме Сброс. Тогда угол точно начнётся с 0, даже если робота до этого двигали.

⚠️ Робот по инерции проскакивает чуть дальше 90°. Чем больше значение мотора, тем сильнее «перелёт». Поэтому для точных поворотов берут маленькое значение, например 10.

Ответ: Начало → Моторы B+C (10 и −10) → Ожидание: гироскоп, Сравнение — Угол, порт 2, «>», 90 → Моторы B+C выключить.

№ 4

(задание без номера в учебнике: «Анализ», работа в паре) Разбери функции блоков в программе поворота на 90°. Что изменится, если поменять числа в блоках?

Как думать. Меняй по одному числу и представляй, что сделает робот.

Решение.

Ответ: порог задаёт угол, числа моторов — скорость и направление поворота, тип сравнения — когда остановиться, порт — откуда брать данные.

№ 5

(задание без номера в учебнике: «Синтез», работа в группе) На основе программы поворота на 90° напишите программу полного оборота на 360° на одном месте.

Как думать. Всё, что нужно, — изменить порог. Но перед началом лучше обнулить датчик.

Решение.

1. Начало.
2. Гироскопический датчик — Сброс (порт 2).
3. Моторы B+C: 10 и −10, «Включить».
4. Ожидание: гироскоп, Сравнение — Угол, порт 2, тип 2 («>»), порог 360.
5. Моторы B+C: «Выключить».

Ответ: та же программа, только с порогом 360 и сбросом датчика в начале; робот делает полный оборот и останавливается.

№ 6

Вопросы для размышления, № 1. Что ты можешь сказать о значении гироскопического датчика в робототехнике?

Ответ: без гироскопа робот не знает, на сколько он повернул. Гироскоп позволяет делать точные повороты, держать направление при езде прямо и не падать (балансирующие роботы). Поэтому он нужен и учебным роботам, и самолётам, и подводным лодкам.

№ 7

Вопросы для размышления, № 2. Как гироскопические датчики влияют на движение роботов?

Ответ: робот поворачивает не «на глаз» по времени, а пока датчик не покажет нужный угол. Движение становится точным и не зависит от скользкого пола или заряда батареи.

№ 8

Вопросы для размышления, № 3. Чем гироскопический датчик отличается от других датчиков?

Ответ: другие датчики смотрят наружу: ультразвуковой и инфракрасный меряют расстояние до предметов, датчик цвета — цвет, датчик касания — нажатие. Гироскоп следит за самим роботом: на сколько и как быстро он повернул.

№ 9

Домашнее задание. Исследовательский проект «Свойства геометрических фигур»: равносторонний треугольник, квадрат, шестиугольник; вырази круг в градусах; рассчитай длину окружности.

Как думать. Робот, обходящий фигуру, поворачивает не на угол фигуры, а на дополнение до 180°: 180° минус угол фигуры. Сложив все повороты, всегда получишь 360° — полный оборот.

Решение.

Длина окружности: $C = \pi \cdot d$, где $d$ — диаметр, $\pi \approx 3{,}14$. Например, колесо диаметром 5,6 см за один оборот проезжает $3{,}14 \cdot 5{,}6 \approx 17{,}6$ см.

👨‍👩‍👧 Родителю. Предложите ребёнку «побыть роботом»: пройти по комнате квадрат, поворачиваясь на 90°, а потом треугольник. Он сам почувствует, что в треугольнике поворот «крутой» — 120°.

Ответ: треугольник — поворот 120°, квадрат — 90°, шестиугольник — 60°; круг — 360°; длина окружности $C = \pi d$.

Шпаргалка

• Гироскоп измеряет угол поворота (°) и скорость вращения (°/с).
• По часовой стрелке угол растёт в плюс, против — в минус.
• Перед поворотом обнуляй датчик режимом Сброс.
• Типы сравнения: 0 =, 1 ≠, 2 >, 3 ≥, 4 <, 5 ≤.
• Поворот на 90°: моторы в разные стороны → ждать «угол > 90» → стоп.

Мини-тест